基于ICL7107器件的量程自切换数字电压表的设计Word文档下载推荐.docx
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3.3关于多量程电路部分17
3.4原理图20
第四章电池选择和电路仿真21
4.1电源介绍21
4.2电路仿真22
第五章系统调试及结果分析25
5.1系统调试25
5.2硬件实物图25
第六章总结27
致谢27
参考文献29
题目
基于tcl7107的数字电压表
正文
设计要求
1.设计一个数字电压表电路；
2.通过设计，可以实现数字测量；
3.测量范围：
直流电压0V到1.999V，0V到19.99V,0V到199.9V,0V到1999V.
前言
1.1数字电压表的概术
电表是常用的电学测量仪器，有关电表的基本原理和应用技术实验在电学实验中是不可缺少的，我们把数字电表基本原理和应用技术引入普通电学实验中，其原因是：
数字仪表应用日益广泛；
数字电表基本原理简单，它也是一种比较法，对电容器在待测电压Vx与参考电压
下的充、放电时间关系进行比较。
了解了数字电表基本原理及常用模数转换芯片外围元件的作用、参量选择原则后可在万用表设计中灵活应用数字电表的模数转换芯片。
随着科学的发展，数字电压表应用越来越广泛，下面介绍一下数字电压表的组成和应用领域。
1.2数字电压表的结构
数字电压表有以下几个个组成部分：
ICL7107芯片\LED数字显示器\三位半驱动\段驱动\位驱动
数字电压具有以下九大特点：
1.显示数据直观，度数准确。
2.准确度高。
3.分辨率高。
4.测量范围宽。
5.扩展能力强。
6.测量速率高。
7.输入阻抗高。
8.集成度高，微功耗。
9.抗干扰能力强。
1.3数字电压表应用领域
数字电压表通常被应用以下任务：
1.对一些工程上的测量；
2.完成大规模集成电路的转换；
3.应用于大规模的数字测量；
4.实现三位半集成电路的应用和其他电路的应用；
本文主要是研究基于ICL7107芯片、数字显计数器的应用。
1.4设计目的
1.综合运用数字电路和模拟电路，巩固所学知识。
2.了解双积分A/D转换器的工作原理。
3.掌握ICL7107构成数字直流电压表的方法。
4.了解数字显示电路的扩展应用。
5.了解产品设计的基本思路和方法。
6.掌握常用电子元件的选择方法和元件参数的
7.加强计算机运用、查阅资料和独立完成电路设计的能力
方案
方案1：
主要芯片有ICL7107和共阳极半导体数码管LED组成。
本方案的主要特点是：
1.能够直接驱动共阳极的LED显示器，不需要外加驱动原件，使整机线路简化。
2.采用+5V和-5V两组电源供电。
3.LED属于电池控制原件，芯片本身功耗较小。
4.显示亮度较高。
方案2：
主要器件有芯片MC14433和共阴极半导体数码管LED组成。
MC14433是美国摩托罗拉公司生产的单片A/D转换器，它适合构成带BCD码输出的31/2位LED显示数字电压表，是目前应用较为普遍的一种低速A/D转换器。
MC14433的主要性能特点：
1.MC14433属于CMOS大规模集成电路，其转换准确度很高，内时钟振荡器，仅需外接一个振荡电阻。
能获得超量程（OR）、欠量程（UR）信号，便于实现自动转换量程。
能增加度数保持（HOLD）功能，电压量程分两挡：
200mV、2V,最大显示值分别为：
199.9mV和19999V。
量程与基准电压成1比1关系。
即UM=UREF
实验原理
（1）31/2位双积分型A/D转换器ICL7107的基本特点
①ICL7107是31/2位双积分型A/D转换器，属于CMoS大规模集成电路，它的最大显示值为士1999，最小分辨率为100uV，转换精度为0.05士1个字。
②能直接驱动共阳极LED数码管，不需要另加驱动器件，使整机线路简化，采用士5V两组电源供电，并将第21脚的GND接第30脚的IN。
③在芯片内部从V+与COM之间有一个稳定性很高的2.8V基准电源，通过电阻分压器可获得所需的基准电压VREF。
④能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能。
⑤输入阻抗高，对输入信号无衰减作用。
⑥整机组装方便，无需外加有源器件，配上电阻、电容和LED共阳极数码管，就能构成一只直流数字电压表头。
⑦噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长。
⑧芯片本身功耗小于15mw（不包括LED）。
⑨不设有一专门的小数点驱动信号。
使用时可将LED共阳极数数码管公共阳极接V+.
⑩可以方便的进行功能检查。
图1ICL7107的引脚图及典型电路。
（2）ICL7107引脚功能
V＋和V-分别为电源的正极和负极，
au-gu,aT-gT,aH-gH：
分别为个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接个位、十位、百位LED显示器的相应笔画电极。
Bck：
千位笔画驱动信号。
接千位LEO显示器的相应的笔画电极。
PM：
液晶显示器背面公共电极的驱动端，简称背电极。
Oscl-OSc3：
时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器。
第38脚至第40脚电容量的选择是根据下列公式来决定：
Fosl=0.45/RC
COM：
模拟信号公共端，简称“模拟地”，使用时一般与输入信号的负端以及基准电压的负极相连。
TEST：
测试端，该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地，故也称“逻辑地”或“数字地”。
VREF＋VREF-：
基准电压正负端。
CREF：
外接基准电容端。
INT：
27是一个积分电容器，必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件
IN＋和IN-：
模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端。
AZ：
积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容CAz。
如果应用在200mV满刻度的场合是使用0.47μF，而2V满刻度是0.047μF。
BUF：
缓冲放大器输出端，接积分电阻Rint。
其输出级的无功电流（idlingcurrent）是100μA，而缓冲器与积分器能够供给20μA的驱动电流，从此脚接一个Rint至积分电容器，其值在满刻度200mV时选用47K，而2V满刻度则使用470K。
（3）ICL7107的工作原理
双积分型A/D转换器ICL7107是一种间接A/D转换器。
它通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用脉冲时间间隔，进而得出相应的数字性输出。
838电子
它的原理性框图如图2所示，它包括积分器、比较器、计数器，控制逻辑和时钟信号源。
积分器是A/D转换器的心脏，在一个测量周期内，积分器先后对输入信号电压和基准电压进行两次积分。
比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较，比较的结果作为数字电路的控制信一号。
时钟信号源的标准周期Tc作为测量时间间隔的标准时间。
它是由内部的两个反向器以及外部的RC组成的。
其振荡周期Tc=2RCIn1.5=2.2RC。
图2ICL7106A/D转换器原理
计数器对反向积分过程的时钟脉冲进行计数。
控制逻辑包括分频器、译码器、相位驱动器、控制器和锁存器。
分频器用来对时钟脉冲逐渐分频，得到所需的计数脉冲fc和共阳极LED数码管公共电极所需的方波信号fc。
译码器为BCD-7段译码器，将计数器的BCD码译成LED数码管七段笔画组成数字的相应编码。
驱动器是将译码器输出对应于共阳极数码管七段笔画的逻辑电平变成驱动相应笔画的方波。
控制器的作用有三个：
第一，识别积分器的工作状态，适时发出控制信号，使各模拟开关接通或断开，A/D转换器能循环进行。
第二，识别输入电压极性，控制LED数码管的负号显示。
第二，当输入电压超量限时发出溢出信号，使千位显示“1"
，其余码全部熄灭。
钓锁存器用来存放A/D转换的结果，锁存器的输出经译码器后驱动LED。
它的每个测量周期自动调零（AZ）、信号积分（INT）和反向积分（DE）三个阶段。
第一阶段：
自动调零阶段AZ
转换开始前（转换控制信号VL=0），先将计时器清零，并接通开关S0，使积分电容C完全放电。
第二阶段：
信号积分INT
令开关S1合到输入信号V1一侧，积分器对V1进行固定时间Tl的积分，积分结果为：
上式说明，在Tl固定条件下V0与Vl成正比。
第三阶段：
反向积分DE
令开关S1转至参考电压VREF一侧，积分器反向积分。
如果积分器的输出电压上升至必零时，所经过的积分时间T2则可得，
故可得到，
可见，反向积分到V0=0这段时间T2与Vl成正比。
令时钟脉冲CD的周期为Tc，计数扔器在T2时间内计数值为N得：
T2=NTc
代入上式得：
分析可知：
T1,Tc，VREF固定不变，计数值N仅与VIN成正比，实现了模拟量到数字量的转变。
下面介绍A/D转化过程的时间分配。
假设时钟脉冲频率为40KHz，每个周期为4000Tc,
如图3所示，每个测量周期中三个阶段工作自动循环。
图3双积分型A/D转换器的电压波形图
各阶段时间分配如下
①信号积分时间Tl用1000Tc。
②信号反向积分时间T2用0一2000Tc，这段时间的长短是由VIN的大小决定的。
③自动调零时间T0用1000－3000Tc。
从上面的分析可知，Tl侍定不变的，但T2随VIN的大小而改变。
因为，
选基准电压VRFF=100.0mv,
由：
得：
VIN=0.1N
满量程时N=2000，同样由上式可导出满量程时VIN与基准电压的关系为：
VIN=2VREF。
为了提高仪表的抗干扰能力，通常选定的采样时间Tl为工频周期的整数倍。
我国采用50Hz交流电网，其周期为20ms，应选T1=n×
20ms。
n=l,2,3……n越大，对串模干扰的抑制能力越强，但n越大，A/D转换的时间越长。
因此，一般取Tl=100ms，即f0＝40KHz。
由T0=2RC105=2.2RC，得
式中T0为振荡周期。
由上式可知，当f0=40KHz时，阻容元件的选取并不唯一，只要满足要求即可。
ICL7107主要参数：
电源电压
ICL7107V+toGND
6V
温度范围
0℃to70℃
ICL7107V-toGND
-9V
热电阻
PDIP封装
qJA（℃/W）
50
MQFP封装
80
模拟输入电压
V+toV-
最大结温
150℃
参考输入电压
最高储存温度范围
-65℃to150℃
时钟输入
GNDtoV+
图4ICL7107与LED接线电路图
驱动器是
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